Ученые считают, что Вселенная «находится» в черной дыре

В ученом сообществе появилась новая гипотеза, согласно которой наша Вселенная может находиться внутри гигантской черной дыры. Природа сверхмассивных черных дыр до конца не изучена. Именуемые в узких кругах специалистов как область пространства-времени гигантские ЧД породили множество догадок и предположений. Например, некоторые эксперты уверены, что эти объекты не что иное, как «двери» в другие миры. Однако эти рассуждения не возникли на пустом месте. Известно, что плотность сверхмассивных черных дыр очень низкая. Так, черная дыра в центре Млечного Пути по плотности меньше чем вода, а гигантская ЧД в центре галактики NGC 4889 в созвездии Волосы Вероники уступает по плотности воздуху. Низкая плотность черных дыр обусловлена гравитационным радиусом, который у этих объектов прямо пропорционален массе. Это значит, что чем массивней черная дыра, тем больше она похожа на призрака.

Данную закономерность можно наблюдать и при сравнении гравитационного радиуса и плотности Вселенной. Но специалисты отмечают, что один этот вывод не является доказательством того, что мы живем внутри сверхмассивной ЧД.

Космический филамент близ центральной черной дыры нашей Галактики

Центр нашей Галактики являлся предметом многочисленных исследований на протяжении многих лет, однако он до сих пор полон сюрпризов для ученых. Недавно таким сюрпризом для астрономов стало обнаружение структуры, напоминающей по виду змейку, близ центральной сверхмассивной черной дыры Галактики. В 2016 г. близ центра Млечного пути был обнаружен необычный изогнутый филамент длиной 2,3 светового года, который располагается рядом с центральной сверхмассивной черной дырой Галактики, называемой Стрелец А. Теперь в новом исследовании команда астрономов во главе с Марком Моррисом (Mark Morris) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, США, используя новый метод, получила снимки этой структуры при помощи радиотелескопа Very Large Array в самом высоком доступном на сегодняшний день пространственном разрешении. Эти новые снимки позволяют более подробно проследить этот филамент почти до самой сверхмассивной черной дыры Стрелец А и показывают, что филамент происходит именно из ее окрестностей.

Согласно команде Морриса существуют три основные версии происхождения этого филамента. По первой из этих версий «змейка» появилась в результате выбрасывания заряженных частиц из окрестностей этой сверхмассивной черной дыры под действием магнитных полей. Вторая версия связана с теорией так называемых космических струн, гипотетических объектов, длинных и экстремально тонких, которые способны переносить массу и электрические заряды. Согласно этой версии обнаруженный филамент представляет собой как раз такую космическую струну. Третья версия предполагает, что сверхмассивная черная дыра Стрелец А и обнаруженная «змейка» вообще никак не связаны между собой. Последняя версия является наименее вероятной из трех, считают исследователи.

Для того чтобы определиться в пользу одной из этих версий, потребуются дополнительные исследования, указывают Моррис и его коллеги.

Астрономы поймали рентгеновский сигнал от тёмной материи

Загадочная тёмная материя не видна в телескопы никаких диапазонов. Она проявляет себя лишь гравитационным воздействием на обычную материю. Эту печальную истину, похоже, придётся пересмотреть. На радость учёным. В далёком скоплении галактик нечто поглощает и переизлучает рентгеновские лучи определённой энергии. И это нечто не может быть обычным веществом. Такой вывод делается в исследовании, опубликованном научной группой во главе с Джозефом Конлоном (Joseph P. Conlon) из Оксфордского университета. Работа доступна на сайте препринтов arXiv.org. Как сообщает пресс-релиз исследования, Эта детективная история началась началась в 2014 году. Тогда научная группа во главе с Эзрой Булбуль (Esra Bulbul) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже обнаружила странное явление. В рентгеновском излучении скопления галактик, известного как скопление Персея, наблюдалась спектральная линия излучения с энергией 3,5 килоэлектронвольт. Результат был получен с помощью инструментов телескопов XMM-Newton и Chandra. Та же линия обнаружилась в излучении 73 других скоплений галактик, зарегистрированном телескопом XMM-Newton.

Буквально через неделю после публикации этого результата другая группа во главе с Алексеем Боярским (Alexey Boyarsky) из Лейденского университета в Нидерландах сообщила о наблюдении этой же линии в излучении галактики M31 и окраины скопления Персея на том же инструменте XMM-Newton.

Ни один известный астрофизический процесс не приводит к образованию такой линии. Поэтому астрономы предположили, что имеют дело с излучением загадочной тёмной материи.

Многие астрономы пытались повторить эти наблюдения, но загадочная линия то обнаруживалась, то нет. Это заставляло скептиков предположить, что учёные столкнулись с ошибкой в работе инструмента или в обработке данных.

В 2016 году новый японский телескоп Hitomi, специально предназначенный для наблюдения рентгеновских спектральных линий, не смог обнаружить линию 3,5 килоэлектронвольт в излучении скопления Персея. Казалось, что вопрос закрыт окончательно. Но это был лишь очередной поворот сюжета.

Команда Конлона обратила внимание, что изображения, даваемые «Хитоми», гораздо менее чёткие, чем у «Чандры». Поэтому в изображении скопления Персея смешивался сигнал от двух источников: излучение горячего газа, расположенного вокруг массивной галактики в центре кластера, и свет, исходящий из окрестностей сверхмассивной чёрной дыры в центре самой этой галактики.

Более чёткие изображения «Чандры» позволяют различить вклад этих источников. Воспользовавшись этим, авторы смогли отдельно проанализировать вклад чёрной дыры и излучение горячего газа.

Имея на руках ранние наблюдения «Чандры», сделанные ещё в 2009 году, они обнаружили удивительное: спектральная линия 3,5 килоэлектронвольт наблюдалась, но в «X-лучах», испущенных газом, это была линия излучения, а в излучении чёрной дыры — линия поглощения! Как выяснилось, телескоп Hitomi смешал вклад от двух источников, в итоге линии компенсировали друг друга и поэтому не наблюдались. Исследователи проверили это, выполнив соответствующие вычисления.

Но как же получается, что, глядя «прямо в глаза» чёрной дыре, астрономы обнаруживают поглощение квантов с энергией 3,5 килоэлектронвольт, а наблюдая достаточно далёкий от неё газ ловят излучение в виде этих квантов?

Это явление давно известно специалистам, работающим с оптическими телескопами. Представим себе звезду, заслонённую от нас облаком газа. Газ поглощает кванты определённой энергии и тут же вновь излучает их. Но это излучение происходит во всех направлениях: обратно к звезде, перпендикулярно линии «звезда — наблюдатель» (лучу зрения, как говорят специалисты), и так далее. Поэтому, глядя прямо на звезду, мы обнаруживаем линию поглощения, так как часть испущенных звездой квантов с этой энергией до нас не дойдёт.

Теперь гордо отвернёмся от звезды и обратим свой взор на ту часть облака, которая находится «сбоку» от неё. Эти атомы газа тоже поглощают излучение звезды и тоже переизлучают его. Но на сей раз самого света звезды мы не видим, он распространяется под большим углом к лучу зрения. Зато видим ту часть поглощённого света, который газ испустит в нашу сторону (он ведь испускает свет во все стороны равномерно). Поэтому при взгляде на эти «боковые» области газа мы увидим линию излучения!

Всё, казалось бы, замечательно. И окрестность сверхмассивной чёрной дыры действительно излучает кванты с энергией 3,5 килоэлектронвольт, равно как и кванты всех остальных энергий из широкого диапазона. У неё «гладкий» рентгеновский спектр без линий излучения. Но, чтобы воспроизвести только что описанную картину, нам требуется предположить, что в облаке горячего газа вокруг галактики присутствует нечто, что поглощает кванты именно этой энергии, а потом переизлучает их. И, как уже говорилось выше, обычное вещество этого сделать просто не в состоянии!

Значит, всё-таки тёмная материя? Конлон и его коллеги считают именно так. Они даже разработали собственную модель этой загадочной субстанции, воспроизводящую такое поведение. Впрочем, вариант ошибки авторы пока не сбрасывают со счетов. Окончательно прояснить вопрос должны последующие исследования.

К слову, «Вести. Наука» (nauka.vesti.ru) ранее писали о другом явлении, которое может быть следствием «активности» тёмной материи — потоке антиматерии вблизи Земли.

Между тем сами частицы этой субстанции пока не удалось обнаружить. Впрочем, некоторые исследователи видят причину в том, что эти частицы легче, чем ожидается.

Астрономы раскрыли секрет "пушистости" хвостов черных дыр

Британско-русские астрономы выяснили, почему выбросы некоторых сверхмассивных черных дыр похожи по своей форме на гигантские уши или широкий луч фонарика, а не на узкую линию лазерной указки, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy. "Когда узкий джет черной дыры распадается и превращается в широкий газовый хвост, выделяется огромное количество тепла, благодаря чему он становится хорошо заметным для телескопов. Эти выбросы обладают столь высокой яркостью, что иногда они светят ярче, чем вся остальная галактика, и их гораздо проще заметить, чем саму черную дыру, чье положение чаще всего определяется косвенным путем", — рассказывает Костас Гургулиатос (Kostas Gourgouliatos) из университета Лидса (Великобритания). Сверхмассивные черные дыры существуют в центре практически любой галактики. В отличие от черных дыр, возникающих при коллапсе звезд, их масса в несколько миллионов раз больше солнечной. Они периодически поглощают звезды, другие небесные тела и газ, и выбрасывают часть захваченной материи в виде джетов — пучков разогретой плазмы, движущихся с околосветовой скоростью.

Эти выбросы, как сегодня считают астрономы, являются результатом того, что черные дыры не способны поглощать материю в неограниченных количествах. Существует некая граница, которую астрофизики называют пределом Эддингтона, при достижении которой материя начинает скапливаться в окрестностях черной дыры в виде горячего "бублика" из материи, диска аккреции. Внутри него частицы материи трутся друг об друга, разогреваются до сверхвысоких температур и часть из них выбрасывается черной дырой в космос в тот момент, когда они достигают границы между дырой и "бубликом".

В некоторых случаях эти выбросы имеют форму не узкой линии света, а своеобразного конуса, похожего по форме на широкий луч фонаря или прожектора, благодаря которым мы можем видеть многие галактики, расположенные слишком далеко от нас для того, чтобы за ними можно было наблюдать напрямую. Самые широкие выбросы подобного типа ученые часто называют "ушами" черных дыр из-за их необычной формы. Внезапное превращение узких потоков плазмы в подобные широкие лучи было загадкой для ученых, так как этому должны мешать свойства межзвездной и межгалактической среды.

Гургулиатос и Сергей Комиссаров, выходец из России и его коллега по университету, нашли объяснение этому феномену, создав компьютерную модель выбросов черной дыры, которая учитывала в себе одно важное свойство джетов, которое раньше игнорировалось в подобных расчетах.

Как отмечают ученые, для упрощения моделей ученые раньше считали, что джет имеет идеально цилиндрическую форму, и что его толщина никак не меняется при удалении от черной дыры. Последние наблюдения за центрами галактик при помощи мощнейших радиотелескопов и интерферометров показывают, что это не так – джет часто имеет "закрученную" форму и внутри него могут присутствовать особенно плотные и относительно разреженные зоны.

"Джеты у подобных черных дыр похожи по своей форме не на цилиндры, а на вытянутые овалы, благодаря чему внутри них возникает особая искривленная пограничная зона, "слабое звено" в структуре джета. Внутри этой зоны возникают очаги нестабильности, которые движутся в сторону черной дыры и сходятся, формируя точку, которую мы называем "зоной локализации", — продолжает астроном.

Она является границей между "нормальной" половиной джета, расположенной ближе к черной дыре, и той его частью, где тонкий пучок плазмы распадается и превращается в конус под действием турбулентности. Свойства межгалактической и межзвездной среды на этот процесс никак не влияют, что может объяснять то, почему во Вселенной достаточно много галактик с широкими, "пушистыми" хвостами.

Как надеются Комиссаров и Гургулиатос, их расчеты и модели помогут понять, как возникают черные дыры с хвостами и того, и другого типа, и выяснить, какую роль они играют в эволюции галактик и Вселенной в целом.

Магнитное поле черной дыры оказалось удивительно слабым

Черные дыры хорошо известны своим мощным гравитационным воздействием на материю, позволяющим им поглощать целые звезды и испускать в космос потоки материи со скоростью, близкой к скорости света. Однако магнитное поле в окрестностях одной из черных дыр, к удивлению исследователей, оказалось довольно слабым. Эта черная дыра диаметром около 60 километров, находящаяся на расстоянии 8000 световых лет от Земли и называемая V404 Лебедя, дала возможность впервые измерить с высокой точностью параметры магнитного поля, окружающего эти самые глубокие «гравитационные колодцы» Вселенной. Группа исследователей под руководством И. Даллилар (Y. Dallilar) с кафедры астрономии Университета Флориды, США, в результате анализа данных наблюдений, проведенных с использованием Большого Канарского телескопа, расположенного на Канарских островах, Испания, обнаружила, что магнитное поле вокруг черной дыры на самом деле примерно в 400 раз слабее, чем ожидалось.

Эти измерения позволяют ученым глубже понять устройство и механизмы функционирования магнитных полей черных дыр, проникая в тайны поведения материи в экстремальных физических условиях. Эти знания в дальнейшем могут быть использованы для расширения возможностей систем GPS навигации и усовершенствования конструкций ядерных реакторов.

Эти измерения также могут помочь ученым разгадать загадку появления так называемых «джетов» черных дыр – потоков заряженной материи, извергаемых со стороны черной дыры и движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Ранее ученые полагали, что эти джеты ускоряются в мощном магнитном поле черной дыры, однако теперь эта гипотеза требует пересмотра, отмечает Даллилар.